On phenomena in ionized gases


Download 9.74 Mb.
Pdf ko'rish
bet34/85
Sana24.01.2018
Hajmi9.74 Mb.
#25134
1   ...   30   31   32   33   34   35   36   37   ...   85

2. Model description 

To describe the electrons, the continuity, electron 

energy 

balance 


equation 

and 


drift-diffusion 

approximation  were  applied.  Two-term  Boltzmann 

approximation EEDF was applied to the model. The 

ion  was  calculated  by  adapting  the  continuity 

equation and  the  drift-diffusion  approximation.  The 

ion  temperature  and  mobility  were  computed  using 

the  ion  energy  distribution  functions  (IEDFs).  In 

addition, the energy and mobility of neutral species 

were considered. A block diagram for calculation of 

 

 



 

Fig.  1.  A  block  diagram  for  calculations  of  the  ion 

temperature, mobility and the EEDF. 

 

 



the ion temperature, mobility and the EEDF is shown 

Fig. 1. 


 

3. References 

 [1]  L.  L.  Alves,  L.  Marques,  Plasma  phys. 

Control. Fusion. 54 (2004) 124012. 

[2] J. van Dijk, G. M. W. kroesen, A. Bogaerts, J. 

Phys D: Appl. Phys. 42 (2009) 190301. 

Topic number: 5 

160


XXXIII ICPIG, July 9-14, 2017, Estoril/Lisbon, Portugal 

 

 



A Spiral Microstrip-line Microwave Resonant Probe- 

 

for Measurement of Plasma Density 

 

Ying-Chieh. Wu, and Keh-Chyang Leou 



 

Department of Engineering and System Science, National Tsing Hua University, Hsinchu, Taiwan 

 

In this study, a microwave probe (spiral probe, SP) based on a spiral shaped resonant structure is developed 



for plasma density measurement. The probe structure is a shorted microstrip transmission line operated at 

half-wavelength resonance. The characteristics of the probe is investigated by employing three dimensional 

electromagnetic  numerical  simulation  anal

ysis


  (HFSS,  ANSYS  Corp)  where  the  plasma  is  treated  as  a 

dielectric  with  dielectric  functions  determined  by  plasma  density,  microwave  frequency  and  collision 

frequency of electrons.   In the simulation, the resonance frequency is extracted from the reflection spectrum. 

Simulation results show that a monotonic increase of the resonant frequency with the plasma density. 

 

 1. Introduction 

The plasma density is one of the key parameters 

controlling  the  characteristics  of  plasma  based 

processes.    Thus,  a  non-invasive  sensor,  e.g., 

microwave-based  ones,  for  monitoring,  or  even 

feedback  control  of  the  plasma  density  of  plasma 

tools is highly desirable.      One popular approach is 

the  resonant-type  microwave  sensors,  where  a 

resonant structure is often employed and the plasma 

density  is  determined  by  the  shift  of  the  resonance 

frequency[1-3].    In  our  previous  work,  we  have 

demonstrated 

microstrip 



line 

microwave 

interferometer  for  monitoring  of  plasma  density  in 

plasma tools.   In this study, a plasma density probe 

based  on  a  spiral  shaped  microstrip  microwave 

resonator,  spiral  probe  (SP),  is  proposed.    The 

structure  of  the  probe  and  the  measurement  system 

are illustrated in Fig. 1.   The probe is constructed by 

a  shorted  micro-strip  transmission  line  operated  at 

the 


half-wavelength 

resonance.[4]

 

 

The 



characteristics of the probe have been investigated by 

numerical  analysis

  u

sing  the  High  Frequency 



Structure Simulator (HFSS)[5]. 

 

 



 

Fig. 1. Structure of Spiral-probe and experimental setup.

 

 



 

2. Simulation result 

Figure. 2. shows the electric field  distribution  at 

the  resonance  for  plasma  density  of 

5x10


10 

cm

-3



illustrating

 

the characteristics of half-wave resonance.  



Figure 3 depicts the microwave reflection spectra for 

different 

plasma 

densities, 



along 

with 


the 

dependence  of  the  resonance  frequencies  on  the 

plasma  densities,  showing  a  monotonic  increase  of 

the resonance frequencies with the plasma densities, 

as expected. 

 

 



 

Fig.  2.  The  electric  field  distribution  at  resonance  (2.71 

GHz) for plasma density of 5x10

10 

cm

-3



1.0


1.5

2.0


2.5

3.0


3.5

-6

-5



-4

-3

-2



-1

0

Reflec



tion(dB)

Frequency [GHz]

  Vacuum

  1x10


10

 cm


-3

  3x10


10

 cm


-3

  5x10


10

 cm


-3

  7x10


10

 cm


-3

  9x10


10

 cm


-3

 

 

Fig. 3. HFSS simulation results: (a) microwave reflection 

spectra  for  different  plasma  densities,  and  (b)  resonance 

frequency v.s. plasma density.  

 

3. References 

[1] M.  Lapke,  et  al.,  Plasma  Sources  Sci.  Technol., 

vol. 20, 2011. 

[2] R. B. Piejak, et al., Appl. Phys. vol. 95, 2004. 

[3] T. Shirakawa and H. Sugai, " Japan. J. Phys 32, 

pp. 5129, 1993. 

[4] A. Pandey, et al.Appl. Phys. vol. 104, 2014. 

[5] C. H. Hsieh, et al.Plasma Sources Sci. Technol. 

vol. 24, 2015. 

 

Topic number: 6 



0

2

4



6

8

10



1.8

2.0


2.2

2.4


2.6

2.8


3.0

3.2


3.4

Freque


ncy

(GH


z)

Plasma density (x10

10

cm

-3



)

161


XXXIII ICPIG, July 9-14, 2017, Estoril/Lisbon, Portugal 

 

 



Emergency & critical care medicine for brain disease 

by irradiation / inhalation of atmospheric pressure plasma flow 

 

T. Hirata



1

, C. Kobayashi

1

, H. Watanabe



1

, S. Matsuda

1

, S. Wakita



1

A. Mori



1

, Y. Kudo

2

, M. Iwashita



3

 

 



1

 Department of Medical Engineering, Tokyo City University, Tokyo 158-8557, Japan 

2

Department of Obstetrics and Gynecology, Hiroshima University, Hiroshima 734-8551, Japan 

3

Department of Obstetrics and Gynecology, Kyorin University, Tokyo 181-8611, Japan 

 

We  performed  to  clarify  the  healing  mechanism  by  which  the  irradiation  /  inhalation  using 



atmospheric pressure (APP) plasma source promotes disease treatments such  as burn healing, lung / 

heart disease treatment, bone regeneration, and cancer treatment. In this paper, the targeted disease 

treatment is functional recovery of hypoxic ischemic encephalopathy (HIE) by plasma inhalation. 

 

Atmospheric 



pressure 

plasma 


(APP) 

are 


indispensable 

for 


sterilizing, 

disinfecting, 

decomposing  hazardous  materials,  and  modifying 

material  surfaces.  Clarifying  the  mechanisms  of 

plasma  technologies  that  are  used  in  practical 

applications  is  of  critical  importance.  Against  this 

background,  we  are  trying  to  clarify  the  healing 

mechanism  by  which  the  APP  inhalation  promotes 

disease treatments. [1-3] 

The  APP  reactor  with  a  coaxial  structure  is 

composed of a tungsten wire applied the high voltage 

inside  a  glass  capillary  that  is  surrounded  by  a 

grounded tubular electrode. The following conditions 

were  applied  pulse  voltage:  5-8  kV;  frequency:  1-5 

kHz;  helium  (He)  gas  flow  rate:  1  L/min;  plasma 

irradiation time: 60-120 s. 

The  hypoxic  ischemic  encephalopathy  (HIE)  is  a 

condition in which the brain does not receive enough 

oxygen.  Although  any  injury  and  many  health 

conditions  can  cause  a  lack  of  oxygen  to  the  brain, 

there  is  no  cure  for  HIE.  We  accomplished  the 

experiment  concerning  the  functional  recovery  of 

HIE by APP inhalation. 

The rat HIE model used here involved ligating the 

common  carotid  artery  with  3-0  silk  to  induce 

ischemia  in  the  brain.  The  7-day-old  rats  were 

allowed to recover for an hour and placed for 2 h in 

the infant incubator for hypoxia (oxygen (O

2

): 8 %, 


temperature: 

37°C). 


HIE 

model 


rats 

were 


anesthetized  with  sevoflurane,  nitrous  oxide  (N

2

O), 



and O

2

 using an anesthesia device with a mechanical 



respirator. The 3-week-old rat HIE model were done 

the  plasma  inhalation  for  two  weeks.  The 

experimental conditions of the plasma inhalation are 

follows;  Inhalation-1:  plasma  including  O

2

  gas  and 



Inhalation-2:  plasma  including  O

2

  +  N



2

O  gas.  The 

rat’s  head  and  the  brain  were  diagnosed  by  using 

X-ray  computed  tomography  (CT).  Here,  the  CT 

scanner for experimental animals (Latheta LCT-200, 

Hitachi, Ltd.) was used for the rat’s head imaging. 

According  to  the  CT  images  of  rat’s  brain,  left 

brain in case of the Inhalation-1 is larger than that of 

Inhalation-2.  The  aneurysm,  cerebral  ischemia,  and 

intricately  shaped  blood  vessels  were  confirmed  to 

the  left  brain.  Especially,  the  cerebral  ischemia 

makes  a  further  trouble  progressed  so  that  not  only 

causing the organization trouble at the cell level but 

also  a  rapid  oxygen  supply  may  generate  a  free 

radical such as super-oxides (OZ). 

The APP including N

2

O gases has the possibility 



of influencing the cerebral blood vessel. In addition, 

the condition of the cerebral ischemia is reported to 

be  ameliorable  by  the  promotion  of  the  endothelial 

NOS  (eNOS)  activation  in  the  brain  cell.[4]  Here, 

eNOS  is  a  family  of  enzymes  catalyzing  the 

production of NO from L-arginine. 

Therefore, it is thought that nitrogen oxides (NOx) 

such as NO, nitrite (NO

2

), and nitrate (NO



3

) produced 

from plasma source and N

2

O gas can be expected of 



the 

improvement 

of 

the 


hypoxic 

ischemic 

encephalopathy. 

 

3. Acknowledgments 



The  authors  thank  T.  Yoshikawa,  R.  Tanaka,  S. 

Shigekuni  (Plasma  Life-science  Innovation  Team, 

Department  of  Medical  Engineering,  Tokyo  City 

University,  Japan)  for  technical  assistance.  This 

study was supported by a Grant-in-Aid for Scientific 

Research on Innovative Areas (No. 24108010) from 

the  Ministry  of  Education,  Culture,  Sports,  Science 

and Technology (MEXT), Japan. 

 

4. References 

[1]


 

T. Hirata, C. Tsutsui, A. Mori, T. Kanai, Y. Kudo, T. 

Izawa,  M.  Iwashita,  XXXIIth  International 

Conference  on  Phenomena  in  Ionized  Gases 

(ICPIG), Iasi/Romania, (2015) P4.63 

[2]


 

T.  Hirata,  T.  Kishimoto,  C.  Tsutsui,  T.  Kanai,  A. 

Mori, Jpn. J. Appl. Phys. 53 (2014) 010302. 

[3]


 

C.  Tsutsui,  M.  Lee,  G.  Takahashi,  S.  Murata,  T. 

Hirata,  T.  Kanai,  A.  Mori:  Jpn.  J.  Appl.  Phys.  53 

(2014) 060309. 

[4]

 

A.  Sakamoto,  S.  T.  Ohnishi,  T.  Ohnishi,  R.  Ogawa, 



Brain Res., 554 (1991) 186. 

Topic number: 17 

162


XXXIII ICPIG, July 9-14, 2017, Estoril/Lisbon, Portugal 

 

 



Excitation, recombination and dissociation of molecular cations by 

electron-impact in cold plasmas: Application to H

2

+

, HD

+

, BeD



and BF

+

 

 

N. Pop



1,2

, J. Zs. Mezei

1,3,4,5

, F. Colboc



1

, Y. Moulane

1,6

, S. Niyonzima



7

, M.D. Epée Epée

8

, O. 


Motapon

9

, F. Iacob



10

, R. Boata

11

,V. Laporta



1

, K. Chakrabarti

12

, J. Tennyson



13

, I.F.Schneider

1

 

 



1

LOMC, CNRS, Univ. du Havre, France, 

2

Politehnica Univ. Timișoara, Romania, 

3

LAC, CNRS, ENS Cachan 

and Univ. Paris-Sud, Orsay, France,  

4

LSPM, CNRS, Univ. Paris 13, France, 

5

INRHAS, Debrecen, Hungary,

 6

LHEPA, Cadi Ayad Univ., Marrakech, Morocco,

 7

Univ. de Burundi, Bujumbura, 

Burundi,

 8

Univ. of Douala, Cameroon,

 9

Univ. of Maroua, Cameroon,

 10

West University of Timișoara, Romania

 

11

Romanian Academy, Timișoara, Romania,

 12

Scottish Church College, Calcutta, India, 

 

13

University College London, UK. 

 

Reactive collisions between electrons and molecular cations have a major role in the ionized gases 



kinetics. Using the

 

Multichannel Quantum Defect Theory, cross sections and rate coefficients have 



been obtained for different reactions induced by electrons on H

2

+



, HD

+

, BeH



+

 and BF


+

 in natural, 

laboratory and industrial ionized media. 

 

1.



 

Introduction 

Dissociative  recombination  (DR),  (ro)vibrational 

excitation  (VE)  and  de-excitation  (VdE),  and 

dissociative  excitation [1,2]: 

AB

+

(N



i

+

,v



i

+

)+e



-

→ A+B, AB

+

(N

f



+

,v

f



+

)+e


-

, A+B


+

+e

-



are the dominant elementary processes in numerous 

cold  ionized  media.  The  Multichannel  Quantum 

Defect  Theory  (MQDT)  has  been  employed  for 

computing state-to-state cross sections and Maxwell 

rate  coefficients  relevant  for  the  kinetic  plasma 

models.  

2.

 

Results 

In order to model and diagnose the low-temperature 



fusion  edge  plasmas,  a  complete  database  for 

electron-impact  collision  processes  is  required  for 

molecular 

species 


containing 

beryllium 

and 

hydrogen.  We  have  expanded  our  studies  on  BeH



+

 

[3,4]  to  BeD



+

  and  BeT

+

  cations.  Figure  1  shows  as 



an  example  the  Maxwell  rate  coefficients  for  the 

lowest  states  (v

i

+

=  0-5)  of  BeD



+

,  significantly 

dependent  on  the  initial  vibrational  level  of  the 

molecular  ion:  Indeed,  this  figure  illustrates  the 

dominance of the DR, while the VdE, clearly higher 

than  the  VE,  becomes  progressively  important  for 

high initial vibrational levels of the target.                                          

The  electron  impact  processes  on  BF

+

  are 


important  in  the  plasma  ion  implantation technique 

[5].  The  calculated  rate  coefficients  have  revealed 

that the vibrational transitions  in this case are more 

important than the dissociative recombination.  

And finally, in order to describe the chemistry of 

the cold environments involved in the history of the 

early  Universe,  in  the  interstellar  molecular  clouds 

and  in  the  edge  of  the  fusion  plasmas,  we  have 

extended  our  most  recent  calculations  on  HD

+

  [6] 



and  H

2

+



  [7]  to  higher  energy,  aiming  to  provide  a 

complete  state-to-state  collisional  data-base  for  the 

hydrogen molecular cations.

  

 



Fig.1.  Dissociative  recombination  (DR,  thick  line), 

vibrational  excitation  (VE,  thin  lines)  and  vibrational  de-

excitation  (VdE,  symbols  and  thick  lines)  Maxwell  rate 

coefficients  of  first  excited  (v

i



=  0-5)  BeD



+

  in  its 

electronic ground state. For VE, since the rate coefficients 

decrease  monotonically  with  the  excitation,  the  lowest 

final vibrational quantum number of the target is indicated 

only, and the lower panels extend the range down to 10

−14

 

cm



3

/s.


  

In the case of the benchmark ions H

2

+

 and HD



+

, our 


reaction  rates  and  cross  sections  have  been 

thoroughly  compared  with  those  measured,  mainly 

in the heavy-ion storage rings [2]. 

3. References 

[1] I. F. Schneider, invited topical talk at this conference. 

[2]  I.  F.  Schneider,  O.  Dulieu,  J.  Robert,  Proceedings  of 

DR2013:  The  9

th

  Int.  Conf.  on  Dissociative        Recombination: 

Theory, Experiment and Applications, Paris, 2013, EPJ Web of 

Conferences 84 (2015). 

[3] S. Niyonzima et al.ADNDT (2017), in press. 

[4] V. Laporta et alPPCP  59 (2017) 045008. 

[5] J. Zs. Mezei et al.PSST 25 (2016) 055022. 

[6] O. Motapon et alPhys. Rev. A 90 (2014) 012706. 

[7] M. D. Epée Epée et alMNRAS 455 (2015) 276. 

 



163

XXXIII ICPIG, July 9-14, 2017, Estoril/Lisbon, Portugal 

 

 



 Measurements of nitrogen and oxygen

 

atom density in N



2

/Ar sputtering 

plasma for fabrication of high-mobility amorphous In

2

O

3

:Sn films 

 

Masaharu Shiratani



P

1

P



, T. Takasaki

1

P



, H. Wang

1

, K. Matsushima



1

, H. Seo


1

, K. Koga

1

, K. Takeda



2

M. Hori



2

, and N. Itagaki

1

P

  



 

P

1

P

 Kyushu University, 744 Motooka, Nishi-ku, Fukuoka 819-0395, Japan  

P

2

P

 Nagoya University, Furo-cho, Chikusa-ku, Nagoya 464-8603, Japan 

 

 Aiming at clarifing effects of nitrogen on a-ITO film growth in N



2

/Ar sputtering plasma, we measure 

absolute density of nitrogen and oxygen atoms in the plasma. X-ray diffraction analysis show that 

ITO  film  is  changed  from  polycrystalline  to  amorphous  by  introducing  N

2

  into  the  deposition 



atmosphere. Electron Hall of a-ITO films increases from 14 to 55 cm

2

/Vs with increasing 



N

/(Ar + 



N

2

)



 from 1.5 to 5%, whereas the absolute density of nitrogen atoms in the plasma increases from 

1.2×10


10

 to 7.9×10

10

 cm


-3

. Since the nitrogen composition ratio of a-ITO films is almost constant for 

N



/(Ar + N



2

)

 of 1.5



5%, adsorption/desorption behavior of nitrogen atoms on the growing surface 

probably brings about changes in film properties. 

 

1. Introduction 

Amorphous  In

2

O



3

:Sn  (a-ITO)  has  attracted 

attention because of  the  advantages  such  as  surface 

smoothness, high etching rate, and low internal stress. 

However, the mobility of conventional a-ITO films, 

which  are  generally  fabricated  by  lowering  the 

deposition temperature (<150

o

C), is much lower than 



that of polycrystalline ITO films, limiting the use of 

a-ITO  films  in  practical  devices.  We  have  recently 

developed a new fabrication method of a-ITO films 

with  a high  mobility  of  61  cm

2

/Vs.  Here,  aiming  at 



clarifing  effects  of  nitrogen  and  oxygen  atoms  on 

a-ITO film growth, we measure the absolute density 

of nitrogen and oxygen atoms by vacuum ultraviolet 

absorption spectroscopy (VUVAS) [2]. 

 

2. Experimental 

 ITO films were fabricated on quartz glass substrates 

at  150°C  by  radio-frequency  (RF)  magnetron 

sputtering.  N

/(Ar  +  N



2

)  of  0–10%  was  used.  The 

total gas pressure was 0.9 Pa. The supplied RF power 

was 100 W.

 Absolute density of nitrogen and oxygen 

atoms were measured by the VUVAS method. 

 


Download 9.74 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   30   31   32   33   34   35   36   37   ...   85




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling